魏敬欣，解常鑫，楊婉玲，劉乾甫，高 原，曾艷藝，王 超

(1.上海海洋大學海洋生態(tài)與環(huán)境學院，上海 201306；2.中國水產科學研究院珠江水產研究所，廣州 510380；3.天津農學院，天津市水產生態(tài)及養(yǎng)殖重點實驗室，天津 300384；4.農業(yè)農村部珠江流域漁業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，廣州 510380；5.廣東省水產動物免疫與綠色養(yǎng)殖重點實驗室，廣州 510380)

浮游植物富含葉綠素、藻膽素等光合色素，可以利用光能進行光合作用產生有機物[1]。對浮游植物的粒徑劃分一般參照SIEBURTH等[2]的標準，可分為小型浮游植物(Micro-phytoplankton，簡寫為Micro-，20～200 μm)、微型浮游植物(Nano-phytoplankton，簡寫為Nano-，2～20 μm)和微微型浮游植物(Pico-phytoplankton，簡寫為Pico-，0.2～2 μm)。不同粒徑的浮游植物由于其生長速率、對營養(yǎng)元素的攝入速率、沉降特性以及在食物網中下一步的能流去向等均各不相同，在生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中也各自占據(jù)著重要地位，因此，開展浮游植物粒徑結構的調查與研究對理解生態(tài)系統(tǒng)初級生產者在能量流動過程中發(fā)揮的作用具有重要意義[3]。目前，已有關于浮游植物粒徑結構的研究多涉及海洋生態(tài)系統(tǒng)，我國南海[4]、遼河口[5]、黃茅海[6]等海域，國外的印度洋[7]、巴西Recife海港[8]、韓國牙山河口[9]等海域均有大量研究成果被報道。對海洋生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)有研究結果均表明，在富營養(yǎng)海域，微型浮游植物所占百分比較高，能夠達到50%左右，而在寡營養(yǎng)海域，微微型浮游植物所占百分比則較大。淡水生態(tài)系統(tǒng)中對浮游植物粒徑結構的研究報道相對較少，王麗卿等[10]對淀山湖浮游植物粒徑結構與環(huán)境因子進行調查，發(fā)現(xiàn)小型和微型浮游植物在淀山湖水體中貢獻率較高。

東江三角洲位于廣東省中部，與西、北江三角洲共同構成珠江三角洲。東江三角洲面積雖小，但其地理位置十分重要，東莞市、華南水運樞紐的黃埔新港及正在興建的新沙港區(qū)均在其流域范圍內，經濟十分發(fā)達。但正因為工業(yè)化程度較高，企業(yè)、工廠數(shù)目眾多，導致東江三角洲流域水環(huán)境污染嚴重，廣東省水文局惠州分局2004年水質監(jiān)測結果顯示，東江三角洲河段水質類別在Ⅳ～Ⅴ類[11]，水質狀況較差。

浮游植物作為水生態(tài)系統(tǒng)的初級生產者，其群落結構特征已成為評估水環(huán)境狀況的重要指標[12]，相較于理化環(huán)境因子，浮游植物群落特征能更直觀地反映調查時期內水環(huán)境的變化[13]。目前，對東江三角洲的研究大多集中于水動力方面[14]，本研究于2021年至2022年春夏秋冬對東江三角洲河網水域中浮游植物粒徑特征及其與環(huán)境因子的關系開展了季節(jié)性調查研究，旨在掌握該水域初級生產者的粒徑結構特征，為大灣區(qū)典型三角洲河網水域的水環(huán)境保護和修復工作奠定相關研究基礎。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 采樣地點與采樣時間

為了盡可能展示東江三角洲水質的全面情況，在東江三角洲河網內共設置17個采樣點(圖1)，分別為企石鎮(zhèn)(QSZ)、石龍鎮(zhèn)(SLZ)、臺校西路(TXL)、工業(yè)路(GYL)、郭洲渡口(GZD)、航道局(HDJ)、東江大道(DJD)、寶華路(BHL)、金沙路(JSL)、東新路(DXL)、洪梅大橋(HMQ)、角尾水閘(JWS)、沿海三路(YHL)、濱江路(BJL)、沙田大道(STD)、輪渡路(LDL)和太平水道(TPS)。調查采樣時間為2021年3、7、11月和2022年1月，每個季節(jié)的調查工作集中在5 d內完成。到達每個站位點后使用采水器采集水面下0.5 m處水樣1 L作為測定水樣。

圖1 采樣點站位圖Fig.1 Sampling point station map

1.2 葉綠素的分級測定

將采集的測定水樣先經200 μm孔徑濾膜過濾，去除雜質，然后依次通過20 μm、2 μm和0.2 μm孔徑濾膜，獲得>20 μm、>2 μm和>0.2 μm粒徑的葉綠素a濃度。抽濾后的濾膜剪碎分別放入離心管中，在離心管上標注采樣時間、站位以及粒徑，加入5 mL 90%丙酮溶液，震蕩，于4 ℃冰箱中黑暗靜置，24 h后取出，離心后(3 500 r/min；15 min)，用紫外可見光分光光度計(UV-5200)測波長630 nm、664 nm、647 nm和750 nm處光密度值，分別記為OD750 nm、OD630 nm、OD647 nm和OD664 nm。葉綠素a濃度的計算公式為：

C(μg/L)=[11.85×(OD664 nm-OD750 nm)-1.54×(OD647 nm-OD750 nm)-0.08×(OD630 nm-OD750 nm)]×5÷1 000

總葉綠素a濃度為三個粒徑葉綠素a濃度之和。

1.3 環(huán)境因子及測定方法

1.4 數(shù)據(jù)分析

采樣站位圖使用ArcMap 10.2軟件繪制。環(huán)境因子、總葉綠素a濃度分布圖以及浮游植物粒徑結構圖使用Origin 2023軟件繪制。利用R軟件(版本3.4.1)(http：//www.r-project.org)，以及“vegan”R包的RDA功能評估浮游植物各粒徑葉綠素a濃度及所占百分比與環(huán)境因子之間的關系。使用IBM SPSS Statistics 27軟件，以各站位浮游植物葉綠素a濃度所占百分比和環(huán)境因子為變量，繪制聚類分析樹狀圖。

2 結果

2.1 環(huán)境因子特征

主要環(huán)境因子的時空特征如圖2所示。季節(jié)差異顯著的環(huán)境因子包括水溫、pH、溶解氧、鹽度、總磷和硅酸鹽含量及水下光照度。其中，夏季的水溫均值最高，為31.56 ℃，顯著高于其他季節(jié)，春、秋、冬季水溫均值接近，分別為21.38、20.31和19.45 ℃；pH值各月均值接近，冬季最高，為7.72，春季最低，為7.24；溶解氧秋季均值最高，為7.91 mg/L，夏季均值最低，為5.22 mg/L；鹽度冬季的均值最高，為3.79 psu，夏季均值最低，為0.18 psu；總磷春季均值最高，為0.34 mg/L，夏、秋和冬季平均值接近，分別為0.22、0.22和0.20 mg/L；硅酸鹽夏季均值最高，為11.73 mg/L，春秋季節(jié)接近，分別為8.14 mg/L與9.78 mg/L，冬季均值最低，為3.74 mg/L；光照夏季均值最高，為10 133 lx，秋季次之，為9 164 lx，春季最低，為3 551 lx；其他環(huán)境因子季節(jié)間差異不顯著。

圖2 環(huán)境因子特征Fig.2 Characteristics of environmental factors

空間特征差異顯著的環(huán)境因子包括溶解氧、透明度、光照度、河寬、鹽度、總磷和總氮，其中，溶解氧與透明度均呈現(xiàn)自上游至下游遞減的趨勢，靠近入?？诘恼疚蝗芙庋跖c透明度均明顯偏低；上游站位的河寬明顯高于下游靠近入?？谡疚?，差幅一般大于2倍；鹽度的空間特征顯示，幾個鹽度的最大值均出現(xiàn)在靠近入?？诘恼疚?；總磷、總氮濃度空間特征呈現(xiàn)出自上游至為下游遞增的趨勢，其中總磷在三角洲水域濃度較大，總氮在三角洲水域下方至入?？诙螡舛燃眲∩仙?/p>

2.2 葉綠素a總濃度的時空特征

葉綠素a濃度均值的季節(jié)特征顯示，季節(jié)差異顯著(圖3)。其中夏季葉綠素a濃度均值最高，為21.09 μg/L，其次為春季的9.42 μg/L，秋季最低，為6.24 μg/L。粒徑百分組成的季節(jié)特征主要表現(xiàn)為micro和nano的交替優(yōu)勢，但是相差不大。其中，夏季與冬季micro的占比略高于50%，分別為57%和51%；春季與秋季nano的占比略高于50%，分別為51%和55%。

圖3 葉綠素a總濃度的季節(jié)特征Fig.3 Seasonal characteristics of total chlorophyll-a concentrationA：各季節(jié)葉綠素a總濃度平均值；B：各季節(jié)葉綠素a粒徑百分比

空間特征顯示，春季葉綠素a總濃度在上游及河網水域站位呈現(xiàn)出遞增趨勢，在HDJ站位葉綠素a濃度達到最大值，在下游站位葉綠素a濃度明顯降低，最小值出現(xiàn)在BJL站位。夏季各站位葉綠素a總濃度較大值均出現(xiàn)在靠上游的站位。秋冬季各站位葉綠素a總濃度普遍偏低，且各站位間葉綠素a總濃度較為接近。同時，我們發(fā)現(xiàn)各月份中葉綠素a總濃度最小值均出現(xiàn)在靠近入?？诘恼疚?圖4)。

圖4 葉綠素a總濃度的空間特征Fig.4 Spatial characteristics of total chlorophyll-a concentration

2.3 葉綠素a粒徑特征

浮游植物粒徑百分組成如圖5所示。整體來看，除個別季節(jié)的個別站位外，pico葉綠素a濃度的占比均很小，主要呈現(xiàn)為micro和nano的交替優(yōu)勢。季節(jié)特征顯示，micro葉綠素a濃度占比季節(jié)差異顯著，nano、pico葉綠素a濃度占比的季節(jié)差異不顯著。

圖5 浮游植物粒徑百分比的空間分布Fig.5 Spatial distribution of phytoplankton particle size percentage

空間特征顯示，春季小型浮游植物葉綠素a濃度在中部河網站位占比較高，在上游與下游靠近入?？谡疚徽急容^低，在GYL至HMQ站位間，小型浮游植物葉綠素a濃度占比均大于當月平均值，微型浮游植物葉綠素a濃度占比趨勢與小型相反；夏季小型浮游植物葉綠素a濃度在大多數(shù)站位占比較高，只在下游STS、LDL和TPS站位占比較低，且上游與河網多數(shù)站位小型浮游植物葉綠素a濃度占比均大于當月平均值；秋季小型與微型浮游植物葉綠素a濃度占比相當，在多數(shù)站位二者占比均在50%左右，在下游STS、LDL站位，微型浮游植物葉綠素a濃度占比顯著高于小型；冬季小型浮游植物葉綠素a濃度占比呈現(xiàn)自上游至下游遞減趨勢，在最靠近入?？诘腡PS站位占比最低，為14%，微型浮游植物葉綠素a濃度占比則呈現(xiàn)出遞增趨勢。

2.4 RDA分析

選擇浮游植物各粒徑濃度及總濃度與環(huán)境因子進行RDA分析，結果顯示共篩選出6個關鍵影響因子，包括水溫、河寬、鹽度、光照度、硅酸鹽和總氮。二維降序圖如圖6A所示?；谳S1的關聯(lián)性結果顯示，各粒徑葉綠素a濃度及總濃度與水溫均呈正相關關系，與鹽度均呈負相關關系。基于軸2的關聯(lián)性結果顯示，小型浮游植物葉綠素a濃度與硅酸鹽和總氮濃度呈負相關關系，微型浮游植物葉綠素a濃度及總濃度與光照、硅酸鹽和總氮濃度呈正相關關系，與河寬呈負相關關系。

圖6 浮游植物粒徑特征與環(huán)境因子的RDA分析Fig.6 RDA analysis of phytoplankton particle size characteristics and environmental factorsA：各粒徑濃度；B：各粒徑濃度所占百分比

選擇浮游植物各粒徑濃度占比與環(huán)境因子進行RDA分析，結果顯示共篩選出4個關鍵影響因子，包括水溫、pH、河寬和透明度。二維降序圖如圖6B所示?；谳S1的關聯(lián)性結果顯示，小型浮游植物葉綠素a濃度占比與pH、河寬呈正相關關系，與透明度呈負相關關系，微型浮游植物葉綠素a濃度占比與之相反?；谳S2的關聯(lián)性結果顯示，微型浮游植物葉綠素a濃度占比與水溫呈負相關關系。

2.5 調查站位的聚類分析

以各站位浮游植物葉綠素a粒徑組成和環(huán)境因子為變量，對東江三角洲17個站位進行聚類分析(見圖7)。結果顯示，當連接距離在25左右時，所有的站位被分成了兩大類。依據(jù)聚類分析結果和地理特征，可以將調查地區(qū)大致劃分為兩類，第一類包括QSZ、SLZ、TXL等10個站位，主要為上游站位，第二類包括DJD、HMQ、JWS等7個站位，主要為下游站位，經過分類后可以更清楚地看到浮游植物粒徑組成與環(huán)境因子的關系(見表1)。我們發(fā)現(xiàn)，兩個類群的葉綠素a粒徑結構差異顯著，其中兩類群中Micro、Nano葉綠素a濃度占比差異顯著，Pico葉綠素a濃度占比差異極顯著，第一類中小型浮游植物葉綠素a濃度占比大于微型浮游植物葉綠素a濃度占比，第二類中恰好相反。另外，研究發(fā)現(xiàn)，兩類群間差異顯著的物理因子主要為鹽度，差異顯著的化學因子主要為pH和TP。結合RDA分析結果，發(fā)現(xiàn)鹽度與pH出現(xiàn)在RDA分析出的關鍵影響因子中，推測鹽度和pH是影響東江三角洲浮游植物粒徑組成空間分布的關鍵環(huán)境因子。

表1 兩個類群葉綠素a粒徑結構和環(huán)境因子的平均值Tab.1 Mean value of chlorophyll-a particle size structure and environmental factors of two taxa

圖7 聚類分析樹狀圖Fig.7 Cluster analysis

3 討論

3.1 葉綠素a總濃度的時空分布特征

研究水域葉綠素a總濃度的季節(jié)特征顯示，最大值出現(xiàn)在夏季，分析原因：(1)夏季水溫明顯高于其他季節(jié)。研究表明，浮游植物體內酶系統(tǒng)控制著浮游植物的光合作用和營養(yǎng)運輸，而溫度直接影響酶系統(tǒng)的活性，因此，溫度對浮游植物的光合作用速率以及生長速率均有重要影響。SHIMARAEVA等[15]對南貝加爾湖進行研究發(fā)現(xiàn)，葉綠素a濃度與水溫呈正相關。國內學者研究表明，葉綠素a濃度與水溫呈顯著正相關關系，豐水期葉綠素a濃度顯著高于枯水期與平水期[16]。RDA分析顯示，水溫與總葉綠素a濃度呈正相關關系，印證了以上觀點。(2)夏季的高溫伴隨著較高的光照強度，光照強度是浮游植物生長的重要影響因素[17]，其會影響浮游植物光合作用強度和放氧速率，進而影響浮游植物光合作用效率。在富營養(yǎng)水域，光照強度成為浮游植物生長的限制因子，且光照強度與浮游植物濃度常呈正相關關系[18]，這與我們的結果一致。

研究水域葉綠素a總濃度的空間特征顯示，靠近下游入?？诘恼疚坏娜~綠素a總濃度明顯低于其他站位。分析原因：(1)與河口型三角洲河網的特性有關。RDA分析結果顯示，鹽度與葉綠素a總濃度呈負相關關系。ANDRADE等[19]對格蘭德河進行研究時發(fā)現(xiàn)，當河口鹽度開始下降時，葉綠素a濃度增加，鹽度與葉綠素濃度呈顯著負相關，這與我們的研究結果一致。研究表明，大多數(shù)淡水浮游植物在高鹽度中生長和生存能力下降。隨著鹽度的增加，生物會受到鹽度的脅迫作用，細胞內外的滲透壓會改變，此外，高鹽度海水還會使細胞內積累ROS(reactive oxygen species)，ROS會導致細胞結構的改變以及細胞膜的過氧化，這些因素都會抑制細胞的生長[20]。鄭逸等[21]通過實驗發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境中鹽度高于0.5%時，普通小球藻和蛋白核小球藻的生長均受到抑制作用，且抑制作用隨鹽度升高而增強。(2)與河口水域低透明度與低光照強度有關。在渾濁的河口環(huán)境中，由于渾濁造成的水下光衰減成為控制浮游植物生長的最重要的因素[22]。在阿根廷混合良好的巴伊亞布蘭卡河口，水柱中懸浮顆粒物的光限制強烈影響了浮游植物的繁殖[23]。在荷蘭渾濁的Westerschelde河口，浮游植物的產量主要由光驅動，而不是由營養(yǎng)物質驅動[24]，以上研究結論均與我們的結果相一致。

3.2 粒徑結構的時空分布特征

東江三角洲浮游植物粒徑結構的季節(jié)分布特征顯示，小型浮游植物葉綠素a濃度占比季節(jié)差異顯著，分析原因，(1)與水環(huán)境的pH有關，RDA分析結果表明，小型浮游植物葉綠素a濃度占比與pH呈正相關關系。WANG等[25]對白洋淀水域進行研究時發(fā)現(xiàn)，小型浮游植物葉綠素a濃度占比與pH呈正相關，這與我們的研究結果一致。(2)與水體溫度有關，RDA分析結果表明，小型浮游植物葉綠素a濃度占比與水溫呈正相關關系。SATO等[26]的研究結果顯示，浮游植物細胞大小隨溫度和營養(yǎng)鹽濃度變化的多元線性回歸結果表明，細胞大小與溫度呈顯著正相關關系，這與我們的結果一致。(3)與水環(huán)境中硅酸鹽含量有關。葛大艷等[27]對珠三角河網進行研究時發(fā)現(xiàn)，顆粒溝鏈藻是該流域的絕對優(yōu)勢種，顆粒溝鏈藻屬于小型浮游植物，而硅藻的生長與水體中硅酸鹽的含量呈正相關關系。已有研究表明，硅藻細胞密度與水體中硅酸鹽濃度呈正相關關系，較高的硅元素含量有助于硅藻種群的生長與競爭[28]，這與我們的調查結果一致。

東江三角洲浮游植物粒徑結構的空間分布特征顯示，小型與微型浮游植物粒徑濃度呈現(xiàn)交互優(yōu)勢，小型浮游植物葉綠素a濃度占比在上游站位占比較大，微型浮游植物葉綠素a濃度占比在自HMQ站位起始的下游站位占比較大，分析原因，(1)水溫可以影響浮游植物粒徑結構，RDA分析結果顯示，水溫與小型浮游植物葉綠素a濃度占比呈正相關，與微型浮游植物葉綠素a濃度占比呈負相關。楊紅等[29]對象山港進行研究時發(fā)現(xiàn)，水溫升高小型浮游植物的量也隨之升高，而微型浮游植物的量隨之下降，這與我們的結果相一致。(2)與河寬的變化有關，RDA分析結果顯示，河寬與小型浮游植物葉綠素a濃度占比呈正相關，與微型浮游植物葉綠素a濃度占比呈負相關。河寬的增大增加了水體的徑流量，有利于喜好流動水體的硅藻種類生長，抑制了喜好靜止水體的藍藻種類的生長，從而影響了浮游植物的粒徑結構組成[30]。(3)與水體酸堿度的變化有關。pH能影響浮游植物的生長與分布，pH值過高或過低都不利于浮游植物的生長與繁殖[31]。藻類對不同pH有不同的適應種，例如，TEMPONERAS等[32]研究發(fā)現(xiàn)，藍藻生物量與pH值顯著正相關，馬京久等[33]研究發(fā)現(xiàn)，漢江中下游水體中浮游植物優(yōu)勢種與pH呈正相關，而錢塘江著生的藻類群落結構與 pH 值呈負相關[34]。(4)我們推測，鹽度是影響浮游植物粒徑結構的關鍵環(huán)境因子。MITBAVKAR等[35]對印度河口進行研究時發(fā)現(xiàn)，鹽度在浮游植物分布中起著重要作用，富含藻紅蛋白的聚球藻有兩個亞組，一組僅在鹽水中發(fā)現(xiàn)，另一組存在于整個鹽度梯度中，這證實了鹽度對浮游植物群落組成的影響。LIU等[36]對鴨綠江進行研究時發(fā)現(xiàn)，微型浮游植物群落受到水體鹽度的正向影響。許多研究表明，浮游植物群落組成結構也會受到鹽度的影響，例如硅藻門、隱藻門種類更適宜生活在低鹽度環(huán)境中，而甲藻門和藍藻門種類在較高的鹽度環(huán)境中也能生存[37]。葛大艷等[27]對珠三角河網進行研究時發(fā)現(xiàn)，硅藻是該水域的優(yōu)勢種，且多數(shù)硅藻種類屬于小型粒徑，這證實東江三角洲水域小型浮游植物也以硅藻類群為主，隨著鹽度的升高，硅藻類群的生長受到抑制，小型浮游植物葉綠素a濃度占比減小，從而導致微型浮游植物葉綠素a濃度占比增加。